Préparation de silice aérogel monolithes par une méthode d'extraction rapide supercritique

L'objectif général de l'expérience suivante est de fabriquer des aérogels de silice monolithiques par un procédé d'extraction rapide en une seule étape. Cela est réalisé en mélangeant d'abord les produits chimiques précurseurs et en versant le mélange dans un moule métallique. Dans une deuxième étape, le moule est scellé dans une presse hydraulique chaude où les produits chimiques sont traités pour produire des aérogels.

Au cours de ce processus, les précurseurs chimiques forment un gel et vieillissent, le solvant présent dans les pores du gel salin atteint un état supercritique, puis la presse chaude libère le solvant sous forme de fluide supercritique et refroidit le moule. À la fin du processus, les aérogels monolithiques de silice sont retirés du moule. Le principal avantage de cette technique par rapport aux autres méthodes de préparation des aérogels réside dans le fait que l'ensemble du processus, depuis le mélange des précurseurs jusqu'à l'obtention des aérogels monolithiques, ne prend que quelques heures.

Nous avons eu l'idée de cette méthode basée sur la presse chaude. Lorsqu'un étudiant de premier cycle souhaitait fabriquer des aérogels pour un projet de fin d'études, nous n'avions pas accès à un séchoir par point critique, alors nous avons improvisé en utilisant une presse chaude. La démonstration visuelle de cette méthode est essentielle en raison de l'importance d'une utilisation correcte du moule métallique et de la presse chaude.

Si les puits ne sont pas remplis d'une solution précurseur ou si la presse chaude n'est pas correctement programmée, les aérogels obtenus seront de qualité médiocre. Diluez d'abord 10,1 millilitres d'ammoniaque concentrée à 14,8 molaire à 100 millilitres avec de l'eau déionisée afin d'obtenir une solution d'ammoniaque à 1,5 molaire. Après avoir obtenu un moule en acier inoxydable carré, essuyez-le avec un chiffon propre et humide afin d'éliminer tout excès d'huile ou de poussière en surface.

Ensuite, vaporisez l'intérieur de chaque puits circulaire avec un agent de démoulage résistant aux hautes températures afin de faciliter le retrait du gel flèche du moule. Après traitement, préparez trois jeux de joints de plafond en découpant une feuille de graphite de 16 pouces d'épaisseur et une feuille d'acier inoxydable de 0,0005 pouce d'épaisseur aux dimensions appropriées. Pour programmer les programmes de presse chaude de plafond et d'extraction, configurez un programme de plafond qui sera utilisé pour sceller le fond du moule ouvert. Ensuite, configurez le programme d'extraction avec les paramètres corrects pour les aérogels de silice.

À l’aide du moule décrit pour sceller le fond du moule, positionner un feuillet de graphite au centre de la PLA inférieure de la presse chaude et ajouter une feuille de feuille d’acier inoxydable. Ensuite, placer le moule sur la feuille d’acier inoxydable et ajouter un autre centimètre d’isolant sur le dessus du moule. Puis, démarrer le programme de pressage à chaud en utilisant les paramètres décrits précédemment.

À ce stade, prélevez à la pipette des aliquotes de tétraéthoxysilane, pour un volume total de 17,0 millilitres, et déposez-les dans un bécher en verre de 250 millilitres étiqueté « solution précurseur ». Ensuite, ajoutez à la pipette des aliquotes de méthanol s'élevant à 55,0 millilitres dans le bécher, pipetez 7,2 millilitres d'eau dans le bécher, puis ajoutez 270 microlitres d'ammoniaque à 1,5 molaire. Scellez le bécher avec un film en paraffine plastique.

Mélangez les réactifs pour vous assurer que l'hydrolyse se produise en homogénéisant la solution mère pendant au moins cinq minutes si la solution n'est pas monophasique. Après cinq minutes de mélange, soniquez le mélange pendant cinq minutes supplémentaires. Une fois le programme de fermeture du moule terminé et les presses chaudes à PLA ouvertes, retirez le joint du côté supérieur et mettez-le de côté.

Laisser le moule tel quel dans la presse chaude afin que le côté inférieur du moule reste scellé. Ensuite, remplir complètement chaque puits du moule avec la solution précurseur. Placer un matériau d'étanchéité neuf sur le dessus du moule, en commençant par une feuille d'acier inoxydable, suivie d'une feuille de graphite.

Ensuite, lancez le programme d'extraction en presse chaude. Une fois le processus d'extraction terminé, retirez le moule et le matériau d'étanchéité de la presse chaude. Retirez le matériau d'étanchéité supérieur du moule et mettez-le de côté.

Ensuite, desserrer délicatement le moule à partir du matériau du joint inférieur. Enfin, retirer soigneusement chaque aérogel du moule un par un en les poussant fermement depuis un côté à l’aide d’un doigt ganté. Le suivi de la procédure décrite permet d’obtenir des lots reproductibles d’aérogels monolithiques de silice. Voici des images d’aérogels de silice typiques obtenus par ce procédé.

Chaque aérogel prend la forme et la taille de la cavité du moule de traitement sans rétrécissement. Les images montrent que les aérogels de silice sont translucides. Les propriétés physiques de ces aérogels sont résumées ici.

Elles sont comparables à celles des aérogels de silice produits à partir de recettes de précurseurs similaires en utilisant une extraction supercritique à basse température. On montre ici une distribution typique des pores préparée par analyse BJH de l'isotherme de désorption obtenue à l’aide d’un système Micro Metrics Accelerated Surface Area and Porosimetry, 2010. Les aérogels sont mésoporeux, avec un pic de diamètre de pore proche de 20 nanomètres. Une fois maîtrisée, cette technique peut être utilisée pour préparer des aérogels de silice en moins de 15 minutes de temps de préparation et huit heures de temps de traitement.

En adaptant cette procédure à différentes chimies de précurseurs, de nombreux types d'aérogels peuvent être fabriqués. Ces derniers incluent les aérogels d’Illumina, de titane, de titane, de silice, de vanium, de silice, de nickel, d’Illumina, de cobalt, d’Illumina, et de silice hydrophobe. N’oubliez pas que le travail avec le tétraéthyle, l’orthosilicate, le méthanol et la presse hydraulique chaude peut présenter des risques.

Les précautions suivantes doivent toujours être prises : porter des lunettes de sécurité et des gants, et travailler sous une hotte aspirante lors de la préparation de la solution précurseur, assurer une ventilation suffisante de la presse chaude et éviter de porter des vêtements amples lors de l'exécution du protocole.